2017年我國光伏技術發展報告(4)

3.5 砷化鎵薄膜太陽電池的研究進展

3.5.1 砷化鎵薄膜太陽電池的發展概況

砷化鎵是繼硅之后應用較為廣泛的半導體材料之一，自上世紀70年代就開始了其在光伏應用領域的開發。以GaAs為代表的III-V族化合物太陽電池具有效率高、抗輻照性能好、耐高溫和可靠性好的特點，正符合空間環境對太陽電池的要求。目前，GaAs基系太陽電池在空間科學技術領域正逐漸取代晶體硅太陽電池，成為空間能源的主力。計算表明，多結疊層電池的極限效率在一個太陽光強下可達65.4%，在大聚光(約46200倍)下可達85.0%[71]。近幾年來，高效多結疊層聚光III-V族化合物太陽電池有了長足的發展，高效率已達到46.5%[72]。

本世紀初，一些公司開始進行砷化鎵薄膜電池的產業化進程，包括美國的Alta Devices和Microlink Devices等。在研發方面，最早登上NREL(National Renewable Energy Laboratory)效率圖表的是2005年由荷蘭Radboud大學創造的單結薄膜GaAs電池效率25%的紀錄；到2008年，其將該電池效率提升至25.9%。2011年，由Alta Devices研發的單結薄膜砷化鎵電池效率獲得突破，達到27.6%；在此之后，這一效率不斷被該公司刷新。而在三結薄膜電池方面，目前取得最高效率的是夏普研發的倒裝型IMM(Inverted Metamorphic Multijunction)電池，效率達37.9%。

表8為目前非聚光薄膜GaAs電池行業技術效率水平，生產效率與研發效率之間存在一定差距，提升量產效率將是未來重要的發展方向。

表8 目前非聚光薄膜GaAs電池行業技術效率水平

3.5.1.1 反向應變生長加襯底剝離技術

高效疊層電池需要最佳帶隙匹配，以滿足各子電池電流相等的條件；同時，需要最佳晶格匹配，以獲得晶格完美的外延層。但這樣的機會是很小的，往往需要容忍一定程度的晶格失配，并抑制應變位錯缺陷的產生。為此，發展了反向應變(Inverted Metamophic，IMM)生長加襯底剝離技術。

2011年，美國Emcore公司應用這一技術，在GaAs襯底上依次生長了GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs(1.9 eV/1.4 eV/1.0 eV/0.7 eV)四結疊層電池。前兩結是晶格匹配的，晶格失配應變生長只影響后兩結。在GaInAs底電池上鍵合支撐襯底片后，剝離GaAs襯底，完成上柵電極制作。這種電池的AM0效率達到34.24%(2×2 cm2)[73]。

2012年，該公司進一步開展了六結疊層電池的研究[74]，其中前三結為寬帶隙子電池AlGaInP(2.1 eV)/AlGaAs(1.7 eV)/GaAs(1.4 eV)，與GaAs襯底是晶格匹配的；而后三結為窄帶隙子電池InGaAs(1.1 eV)/InGaAs(0.9 eV)/InGaAs(0.7 eV)，為晶格失配應變結構，子電池間有應變梯度層(組分緩變層)過渡。預計這樣生長的六結疊層電池AM0的效率為37.8%，但實測值為33.7% (4 cm2)，其中，Voc和FF與預計參數相近，只是Jsc各子電池分布不均，最小限制值10.07 mA/cm2明顯低于預計值(11.3 mA/cm2)。

2012年，日本夏普公司通過改進IMM外延工藝和器件柵極設計，研制的GaInP/GaAs/GaInAs三結疊層聚光電池在306倍AM1.5D光強下，轉換效率達到43.5%(0.167 cm2)。

3.5.1.2 半導體鍵合技術

將晶格常數不同的III-V族材料直接鍵合，如 GaAs(5.653 ?)與 InP(5.868 ?)，可以使界面應力得到釋放，從而分別獲得晶格匹配的外延生長。2014年，德國Fraunhofer太陽能系統研究所等應用這種半導體鍵合技術(SBT)，研制了四結疊層GaInP/GaAs//GaInPAs/GaInAs聚光電池，在324×AM1.5D光強下，電池效率達到46.5%(5.42 mm2)[72]。這是迄今為止所有各類太陽電池效率的最高紀錄。四結電池分兩步制備，首先在GaAs襯底上依次生長與之晶格匹配的Ga0.51In0.49P/GaAs寬帶隙(1.88/1.42 eV)兩結疊層電池。在InP襯底上依次生長與之晶格匹配的Ga0.47In0.53As/Ga0.15In0.85P0.65As0.35窄帶隙(0.73/1.10 eV)兩結疊層電池，然后將GaAs電池表面與GaInPAs電池表面進行鍵合，剝離GaAs襯底，形成如圖15所示的四結疊層電池結構，其中鍵合面用“//”表示。電池表面形成歐姆接觸，正表面有柵電極和MgF2/Ta2O5減反射層。

圖15 半導體鍵合技術制備的GaInP/GaAs//GaInPAs/GaInAs四結疊層電池結構

2014年，美國光譜實驗室(SPL)采用SBT研制了五結疊層電池。其中，在GaAs襯底上生長三結寬帶隙(2.2/1.7/1.4 eV)電池，在InP襯底上生長兩結窄帶隙(1.05/0.73 eV)電池，然后進行直接鍵合和剝離GaAs襯底，完成五結疊層電池的制作。在AM1.5G和AM0光譜一個太陽光強下，其電池效率分別為38.8%(1 cm2)和35.8%(4 cm2)[75]。在2015年第42屆IEEE PVSC會上，SPL報道這種電池的AM0效率為36.0%。

3.5.1.3 GaAs薄膜太陽電池

根據前文介紹，在GaAs襯底上，用反向應變(IMM)外延生長和襯底剝離技術制備的三結或四結疊層電池可以是超薄型的。因為這種電池的有源層厚度只有幾微米，只要適當選擇支撐襯底片，所構成的電池不僅重量輕，而且可以是柔性的。GaAs襯底也可在外延工藝中多次反復使用，這就大幅降低了器件的成本。這種超薄型高效疊層電池在空間科學和技術，以及其他一些特殊地面場合必將有廣闊的應用前景。

2011年，美國Alta Devices公司報道，他們采用反向外延生長和襯底剝離技術研制的GaAs單結薄膜電池AM1.5G效率達到27.6%[76]，繼而又提高到28.8%[77]，這是迄今為止所有單結電池效率的最高紀錄。GaAs單結薄膜電池的制造工藝與上面介紹的IMM超薄型高效疊層電池相似，只是單結電池的外延工藝更為簡單。

美國休斯敦大學研究了在柔性襯底上直接沉積的技術。該技術在廉價襯底上開發出高織構外延鍺薄膜，進行卷對卷連續加工。其主要特點是，采用IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)技術在柔性晶格失配襯底上生長近單晶薄膜，隨后是一系列具有分級結構的外延薄膜，直至與鍺薄膜具有很好晶格匹配的保護層，最后在鍺層上外延生長GaAs或其他的III-V化合物。研究顯示，鍺和下面氧化物層的結構匹配是外延生長的關鍵[78]。該技術在2014年獲得美國能源部SunShot項目150萬美元撥款贊助支持，用于在金屬箔上生長高效GaAs薄膜。

國內方面，據蘇州矩陣光電公司報道，其采用反向生長加襯底剝離技術成功研發了柔性薄膜GaAs單結電池，效率達到28%；柔性薄膜兩結和三結疊層電池效率分別達到31%和35%，而且GaAs襯底可多次重復使用。

3.5.1.4 稀N材料

稀N含量的GaInNAs材料具有獨特的優點，在保持其晶格常數與GaAs匹配的條件下，其帶隙寬度可以通過加入少量N和In在0.8～1.4 eV范圍調節，從而可用于構建晶格匹配的多結(3～6結)疊層太陽電池。

但是經過多年研究，1 eV帶隙的GaInNAs材料質量仍較差，制備出的GaInNAs太陽電池的Jsc小，不能滿足疊層電池對子電池的要求。直到2011年，Solar Junction公司用分子束外延技術研制出高質量的稀N含量的GaInNAs(Sb)材料，成功制備了GaInP/GaAs/GaInNAs(Sb)三結疊層電池。在400～600倍AM1.5D太陽光強下電池效率達到43.5%[79]。

3.5.2 砷化鎵薄膜太陽電池研究的國際進展

由于這一領域的設備及技術的獨特性，進行研發的研究機構及企業較少。2016年主要效率進展體現在韓國LG的GaAs電池方面，其發表的文章[80]指出，LG制備出效率達28.7%的薄膜電池，接近28.8%的世界紀錄效率。

3.5.2.1 輕薄柔性技術

夏普利用三結InGaP/GaAs/InGaAs電池，采用透明樹脂薄膜進行封裝，開發出柔性空間光伏組件[81]，主要用于短期使命的空間飛行器。通過對這種光伏組件進行一系列的可靠性測試，證明了其在空間環境中具有較高的可靠性，且在電學特性和外觀上均無變化。2016年12月，夏普將采用此技術的柔性空間電池(面積27 cm2、效率32%、重量0.33 g、厚度0.3 mm)應用在JAXA為宇宙空間站輸送物資的無人飛船“Kounotori No.6”上，進行實際空間驗證測試，除了要檢測該新型電池能否經受火箭發射時的強烈震動外，還要驗證其在實際太空中的發電性能。

韓國光州科學技術院的科學家使用一種叫做“冷焊”的生產技術制成一種厚度約為1.4 μm的超薄、柔性光伏組件[82]。此種太陽電池的具體制造過程是將GaAs微電池印到一塊備有電極的柔性基片上，當在相對高的溫度(170 ℃)下施加巨大壓力時，基片頂層上的光致抗蝕劑(光刻膠)融化，變成臨時粘合劑，將電池貼附到電極基片上，然后剝離光致抗蝕劑。研究人員進行張力分析發現，此款太陽電池承受的張力是3.5 μm厚的類似電池的1/4。在測試中還發現，這種太陽電池板裹在1.4 μm厚的物體上時依然可以正常工作，將來可以鑲嵌到玻璃外框或布料上，成為下一波可穿戴式電子設備的電力來源。

3.5.2.2 增強光子再循環技術

2011年，美國Alta Devices公司報道，其應用反向外延生長和襯底剝離技術研制的GaAs單結薄膜電池AM1.5G效率達到27.6%，這是當時所有各類單結電池效率的最高紀錄。

這種GaAs單結薄膜電池效率的改善，主要是由于降低了器件的暗電流，提高了電池的開路電壓。實現這一點是因為減少了光子損失和載流子的非輻射復合，從而增強了光子再循環利用。這也將導致器件中載流子密度的增加和準費米能級更大的分裂，從而增加電池的Voc。

實現有效光子再循環利用的必要條件是：1)外延生長層具有高質量，以保證光生載流子的非輻射復合相關的壽命遠大于輻射復合壽命；2)背接觸具有高反射率。此外，剝離GaAs襯底后，高反射的背電極金屬將接近電池基區，這不僅有利于光生載流子的收集，也有助于光子的反射。可以預期，通過優化窗口層和減反射層，可進一步改善電池的短波響應(＜500 nm)；通過優化GaAs吸收層的厚度和背接觸，可進一步改善電池的長波響應(＞800 nm)；通過降低電池的串聯電阻，可進一步提高電池的填充因子，有望使電池效率得到更大提高。

Alta Devices在2014年加入漢能后，重啟研發項目。2016年1月經NREL認證，其雙結電池刷新世界紀錄，達31.55%，相應的參數為Voc=2.5381 V、Jsc=14.164 mA/cm2、FF=87.7%；在2016年底，單結GaAs薄膜組件經NREL認證的效率為24.8%，刷新之前24.1%的紀錄。

3.5.3 砷化鎵薄膜太陽電池研究的國內進展

3.5.3.1 小面積GaAs太陽電池研究

2005年，上海空間電源研究所和電子部天津18所等研制了晶格匹配GaInP/GaAs/Ge三結疊層電池，其批產效率達到28%(AM0，2×4 cm2)[83]，并廣泛應用于我國空間能源系統。2016年，他們采用反向應變外延生長加襯底剝離技術，研制了GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs四結疊層電池，將AM0效率提高到34.3%。

2014年，蘇州矩陣光電公司采用反向生長加襯底剝離技術，成功研制了柔性薄膜GaAs單結電池，其AM1.5效率達到28%；柔性薄膜兩結和三結疊層電池AM1.5效率分別達到31%和35%；而且GaAs襯底可多次重復使用[84]。

2014年，天津三安光電公司表示，他們成功研發了三結疊層GaInP/GaInAs/Ge高倍聚光電池，并進行了規模生產，聚光電池效率達到40%～41%。其在青海神光格爾木建立了50 MW高倍聚光光伏電站，在青海日芯建立了60 MW高倍聚光光伏電站[85]。

同年，廈門乾照光電公司表示，他們利用反向應變生長加襯底剝離技術，制備了GaInP/GaAs/GaInAs三結疊層電池，其AM1.5效率為34.5%，在AM1.5D×517太陽光強下，聚光電池效率達到43.0%[86]。

天津恒電空間電源有限公司于2015年在北京舉行的CPVC15光伏學術年會上提交了關于空間用三結砷化鎵太陽電池的報告[87]，展示了關于電池結構改進的研究進展，包括引入布拉格反射器、上電極柵線結構采用梳狀密柵、減反射膜采用TiOx/AlOx結構。報告指出，通過以上手段可以制備出實驗室最高效率為30.6%、批產平均效率為29.61%、大轉換效率為30.15%、帶電粒子輻照衰減小于18%的空間用三結砷化鎵太陽電池。在2016年的歐洲PVSEC會議上，天津恒電空間電源有限公司提交了關于倒置晶格失配四結(IMM-4J)砷化鎵電池減反射膜設計的報告[88]，文中設計了兩種減反射膜，指出由TiOx、Y2O3和Na3AlF6組成的減反射膜更適合于一般的IMM-4J砷化鎵電池結構。

3.5.3.2 GaAs太陽電池及組件產業化開發

GaAs太陽電池具有較高的光電效率，目前無論在國際或國內，主要應用于空間上，包括軍事、民用衛星和航天器等方面。由于產品特性及成本限制，僅針對特定應用市場，因此，生產還未形成規模。若要進入該領域，會存在技術、成本、客戶資源等方面的制約。若想使GaAs薄膜電池的成本在民用應用中具有競爭力，還需進一步突破薄膜電池在規模化生產中的設備及工藝控制等問題。漢能Alta Devices掌握著GaAs電池生產的核心技術，更致力于開發適合砷化鎵薄膜太陽電池的大產能設備。通過自主研發設計的新型的MOCVD，具有快速溫控和高速外延生長能力，擁有全球最高的轉換效率，是目前批量生產的主力機臺。正在開發中的下一代MOCVD設備，將使砷化鎵外延生長的產能提升至少4倍，這使得漢能GaAs薄膜發電可以涉足民用領域應用的產業化進程。

漢能薄膜發電計劃在黃陂臨空產業園投資建設10 MW GaAs薄膜太陽電池研發制造基地，其中，一期建設規模為3 MW。該項目將成為全世界產量最大的GaAs太陽電池生產基地。漢能將柔性薄膜太陽電池的研發能力與產業化能力相結合，未來將實現GaAs薄膜光伏組件生產成本的降低與產量的提升，為太陽能全動力汽車、太陽能無人機奠定堅實的產業化基礎。

3.5.4 砷化鎵薄膜太陽電池發展趨勢展望

自上世紀90年代以來，以GaAs為代表的III-V族化合物半導體太陽電池就成為太陽電池領域中較為活躍且富有成果的電池種類。由于MOCVD技術的應用、對GaInP寬帶隙和GaInAs窄帶隙材料體系的深入研究，以及晶格失配外延和反向生長等技術的發展，使得III-V族化合物太陽電池的效率有了很大的提高。

1)多結聚光電池正通過多條途徑向50%效率目標邁進。這些技術主要包括：在Ge襯底上正向生長晶格匹配的五結疊層電池、反向應變生長加襯底剝離技術制備的六結疊層電池、采用半導體鍵合技術(SBT)制備的五結疊層高倍聚光電池等。

2)單節、多結非聚光電池效率繼續提升。目前，單結電池量產效率大于26%，計劃通過采用低電阻接觸層、高能隙鈍化外延層、高透明鈍化鍍膜以及細柵電極等，在2017年底將單結電池量產效率提升到27%以上。預計量產雙結組件的效率超過28%，三結電池的小面積效率大于35%。

3)超輕、超柔、抗輻射的GaAs薄膜電池。GaAs薄膜電池技術兼具效率高、發電性能優異等特點，且產品輕質、柔性，可完美應用于移動電源系統，是無人駕駛系統、消費電子設備、汽車、可穿戴裝備，以及其他對尺寸、重量和移動性有較高要求的應用領域的理想光伏產品。這些產品的應用決定了其必須具有超輕和超柔的封裝結構。同時高空無人機方面，要求GaAs組件需具有較強的抗輻射性能。因此超輕、超柔、抗輻射的特殊技術，如調整膜層結構、摻雜濃度、增加抗輻照封裝玻片等將是重點研究的方向。

4)產能提升。為了提升良率、降低生產成本，需要發展一系列技術手段，例如：改進MOCVD腔室的潔凈度，優化絕緣鈍化技術，改進及優化前后電極鍍膜、電池互聯技術，減少后段工藝步驟等。

5)擴展品種，使用于不同領域。由于GaAs薄膜電池具有轉換效率高、溫度系數低、超輕、超薄、高溫環境表現優異等特性，應開發不同品種并使之產業化，廣泛應用于太陽能汽車、消費電子、軍用、航空航天等領域。

4 新型太陽電池研究進展

4.1 新型太陽電池發展概況

隨著煤炭、石油等不可再生能源的不斷消耗，能源利用如何從化石能源過渡到可再生能源一直是人類面臨的挑戰。作為一種可再生能源技術，太陽電池將來自太陽的光能直接轉化為電能，在過去20年得到了迅速發展，并在全球范圍內得到廣泛應用。目前的太陽電池市場，晶體硅太陽電池占據主導地位。但考慮到成本及環境問題，新型太陽電池技術的研究也在不斷進行。

1)鈣鈦礦太陽電池的研究最早可以追溯到2009年，經過短短的幾年時間，電池效率就已從最初的3.8%飛速發展到目前的超過22%。因此，鈣鈦礦太陽電池被認為是一種引領低成本、低嵌入式的光伏技術。目前，鈣鈦礦太陽電池的研究方向主要集中在提高效率、大面積制備、穩定性等方面，但其距離商業化應用仍有一段距離。

2)染料敏化太陽電池具有低價、高效率、弱光下轉換效率高、顏色可以根據染料的不同進行調控等優勢，是新型太陽電池家族的重要成員。目前其經過第三方認證的轉換效率為11.9%，文獻報道的最高效率達到14%。目前，染料敏化太陽電池的研究方向主要集中在進一步通過材料設計提高染料吸收效率、設計新型固態電解質提高器件穩定性、采用新型電極材料提高催化活性、避免鉑系貴金屬的使用、大面積電池產業化技術研發等方面，有望在光伏建筑一體化等方面得到應用。

3)聚合物太陽電池具有結構和制備過程簡單、成本低、重量輕、可制備成柔性器件等突出優點，成為近年來國內外的研究熱點。由于新材料的不斷出現，近幾年聚合物太陽電池的效率出現了新的增長，比如PTB7、PTB7-Th等一系列窄帶隙給體材料、PffBT4T-C9C13等具有結晶性質的給體材料，以及現在研究火熱的非富勒烯受體材料N2200、ITIC等。但是目前聚合物太陽電池的效率相對來說仍然較低，進一步提高電池效率及其穩定性是下一步需要解決的問題。

4)目前，膠體量子點太陽電池的效率有較大提高，但是相對其他太陽電池，其效率還有一定差距。相對于其他太陽電池如鈣鈦礦太陽電池來說，膠體量子點太陽電池開路電壓較小，電池的電壓值一般比禁帶寬度的值差0.5 eV以上，這是目前制約膠體量子點太陽電池效率的一個重要因素，主要原因在于量子點中缺陷濃度較高，缺陷能級位置較深。另外一個制約膠體量子點太陽電池效率的重要因素是載流子傳輸速率較低，造成電池的電流和填充因子較低。 (待續)